提供:東芝

日本が誇る、次代を創る技術

脱炭素社会実現に貢献!
「水素エネルギー」と
「超電導モーター」とは?

気候変動対策に貢献するために、二酸化炭素(CO2)をはじめとする温室効果ガスの排出量と吸収量を均衡させる「カーボンニュートラル」への取り組みは世界の潮流となっている。そうした中、東芝はカーボンニュートラルを強力に推進する最先端技術の開発により、新たなイノベーションを生み出そうと邁進している。そこで鍵となるのは、温室効果ガスの排出量をいかに削減するか、そして排出された温室効果ガスをいかに再利用するか。こうしたアプローチに積極的に取り組んでいる東芝の最新技術に迫る。

カーボンニュートラルに向けて東芝が提案する2つの技術

 昨今、地球温暖化や豪雨・干ばつといった異常気象を招く気候変動問題が大きな社会問題になっている。その原因の1つとされている温室効果ガスは、世界経済の拡大に伴うエネルギー需要の増加により、排出量が増加の一途をたどっている。2015年にパリ協定が採択されたことを受け、日本は2050年までに温室効果ガスの排出量を実質ゼロにするカーボンニュートラルを宣言。日本企業に対する環境対応への期待はますます高まっている。この最重要課題に対してビジョンを掲げ、革新的なテクノロジーで挑もうとしているのが東芝である。

 東芝は2020年に「環境未来ビジョン2050」を策定。これはカーボンニュートラルや循環経済への対応などグローバルな視点に立った東芝グループの長期ビジョンで、「豊かな価値の創造と地球との共生をめざした環境経営を通じて持続可能な社会の実現に貢献する」ことを目標に、脱炭素社会・循環型社会・自然共生社会の実現に向けた取り組みを表明したものだ。

 この目標の実現のために欠かせないのが、革新的テクノロジーである。ここからは、東芝の再生可能エネルギーや水素の利用拡大と炭素循環社会の実現を目指す「P2X(P2G/P2C)」と、大型モビリティのカーボンニュートラルに貢献する「超電導モーター」を紹介する。

エネルギーの循環利用で持続可能な社会に貢献する「P2X」

 P2Xとは、太陽光や風力といった再生可能エネルギーで水素を製造する「P2G(Power to Gas)」や、工場などから排出されたCO2などを活用して、化成品・素材へと再資源化する「P2C(Power to Chemicals)」など、電力から他のエネルギーへ変換する技術の総称である。

再生可能エネルギーを使ってCO2を排出せずに水素を生成する「P2G」

写真:佐藤 純一氏
東芝エネルギーシステムズ株式会社
水素エネルギー技師長
佐藤 純一

 「現在の水素燃料はCO2を排出する化石燃料からつくられるのが一般的ですが、カーボンニュートラルを実現していくには、再生可能エネルギーを主力電源化し、それを使って水素をつくる必要があります。このようにCO2を排出せずに水素を製造する技術がP2Gです」。こう説明するのは、東芝エネルギーシステムズ 水素エネルギー技師長 佐藤純一氏である。

 佐藤氏によると、P2Gは再生可能エネルギーを使って水を電気分解し、水素を製造する。それを貯蓄し燃料として利用する。もちろん水素燃料を利用してもCO2は排出されない。

 さらに、P2Gは供給能力が不安定な再生可能エネルギーの調整力も果たすという。

 「再生可能エネルギーの問題点は供給が不安定なことですが、P2G技術には再生可能エネルギーの余剰電力を利用することで電力需給を調整するという役割も期待できます。電力を水素に転換しておけば、燃料としてだけでなく有機材料の原料としても利用できるようになり、さまざまな分野のカーボンニュートラルに貢献することになります」(佐藤氏)

 P2Gについてはすでに実用化に向けた取り組みが始まっており、2020年にはNEDO(国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構)の委託を受けて東芝エネルギーシステムズが東北電力などと共同で福島県浪江町に水素製造施設「福島水素エネルギー研究フィールド」を開設。世界最大級の10メガワット水素製造装置によって再生可能エネルギーから水素をつくりながら、電力系統の需給調整も実施。不安定な再生可能エネルギーの電力を最大限に活用してクリーンな水素製造技術の確立を目指した実証実験が進められている。

※この水電解装置を定格運転で1日運転した場合の水素製造量は、一般家庭約150世帯の1カ月分の消費電力に相当する電力量に相当する。

写真:福島水素エネルギー研究フィールド
太陽光発電のエネルギーから水電解を行って水素を生成する福島水素エネルギー研究フィールド。NEDOの「水素社会構築技術開発事業/水素エネルギーシステム技術開発」の一環として実施

排出されたCO2を再利用する「P2C」

 「P2C」は、排出されたCO2を分解・再資源化する技術である。

 「P2Cは工場などで排出されたCO2を回収・貯蓄し、それを電気分解して一酸化炭素(CO)を取り出したのち、COと水素から有機材料を合成する技術です。ジェット燃料に代わるSAF(Sustainable Aviation Fuel:持続可能な航空燃料)や軽油の代替燃料、化成品・炭素素材などの原料への再資源化が期待できます」(佐藤氏)

 このP2C技術をリードしているのが東芝だ。CO生成処理能力を向上させるため、水に溶けにくいという特性のあるCO2をCOに直接分解できる「三相界面制御触媒電極」を開発。また、60年以上におよぶ燃料電池技術製造のノウハウを活用した「電解セルスタック」という構造にし、CO2電解装置の大幅な小型化を可能にした。

 2021年にはP2C技術への取り組みが環境省「二酸化炭素の資源化を通じた炭素循環社会モデル構築促進事業」に「人工光合成技術を用いた電解による地域のCO2資源化検討事業」として採択され、2024年までCO2電解装置の技術開発とP2Cの実用性の検証が行われている。この事業では、東芝エネルギーシステムズが炭素循環社会モデルやビジネスモデル検討、CO2電解装置プロトタイプの製作と実証などを担当し、エネルギー業界や航空業界の大手企業を巻き込みながらSAFサプライチェーンの構築に向けた取り組みが進められるという。

図:P2GとP2Cの両輪でカーボンニュートラルへの貢献を目指す
P2GとP2Cの両輪でカーボンニュートラルへの貢献を目指す(出典:東芝)

大型モビリティ業界のカーボンニュートラル実現の鍵となる「超電導モーター」

写真:萩原 剛氏
東芝エネルギーシステムズ株式会社
量子システム技師長
萩原 剛

 カーボンニュートラルを実現する上で、重要な領域の1つがモビリティだ。東芝エネルギーシステムズ 量子システム技師長 萩原剛氏は次のように説明する。

 「モビリティ領域ではCO2削減に向けた動きが加速しています。例えば航空業界では従来のジェット燃料からSAFへの切り替えも始まっています。しかし燃料だけでなく、航空機の構造の進化・変革も求められています。特に動力源については、従来のエンジンの代替となる高出力の電動モーターの登場が期待されています」

 電動モーターは古くから存在する技術でありながら、航空機をはじめとする大型モビリティに適用することは困難であった。高出力を実現するには、強力な磁場をつくる必要があり、そのためにはモーターの重量も体積も大きなものになってしまうからである。この課題を解決するアプローチとして東芝が提唱するのが、超電導によって電気抵抗を最小化することで、小さい体積で強力な磁場を生み出し、高出力を実現できる「超電導モーター」の技術である。

 「東芝では大電流を流す超電導技術や、電流を制御するモータードライブ技術、安定した高速回転を実現する回転機技術の研究開発に長年にわたって取り組んできました。また、これまでに培った豊富な製造技術の蓄積もあります。これらに関連する技術者を結集して開発したのが、超軽量・小型・高出力を実現した超電導モーターです」(萩原氏)

図:超電導を利用することで、モーターを小型化しつつ大電流による高出力が可能になる
超電導を利用することで、モーターを小型化しつつ大電流による高出力が可能になる。ただし、超電導を実現するためには冷却も必要となる

 また、超電導を実現するためには、冷却も重要な技術だ。東芝は、ここでも独自の最先端技術をたくさん有している。例えば、液体ヘリウムによる冷却を必要としない「冷凍機冷却ニオブ・チタン超電導マグネット」などである。この超電導マグネットは、希少資源のヘリウムを使用せずに操作性・安全性・コストメリットに優れた製品として高く評価されている。

 「この超電導マグネットは、社会生活に大きく貢献した電気技術の功績を称える電気学会の『でんきの礎』として顕彰されるとともに、『科学技術分野の文部科学大臣表彰』も受賞しています。こうした技術の蓄積が、大型モビリティ向けの超電導モーター開発につながったと考えています」(萩原氏)

 2022年6月には、最高出力2メガワットの小型高速超電導モーター試作機が完成した。この超電導モーターは一般的な同レベルの出力モーターと比べ、10分の1以下の小型・軽量化を実現しているという。

 「化石燃料を使う従来のエンジンとは異なり、超電導モーターはCO2を発生させない動力源であるため、航空・船舶・トラックなど大型モビリティ業界のカーボンニュートラルに大きく貢献する技術です」(萩原氏)

 萩原氏によると、すでに航空業界、輸送機械メーカーから多くの関心が寄せられているという。今後はモビリティ業界を中心とするパートナーと協力しながら、さらなる軽量化と実装の取り組みを進めていこうとしている。

写真:東芝が開発した超電導モーター
東芝が開発した超電導モーター

世界をよりよい場所に

 ここまで、2つの観点からカーボンニュートラルを強力に推進する技術を紹介してきた。社会に役立つ数多くの技術を世の中に送り出してきた東芝グループでは、もちろん今回の技術以外にも、ビジョンを達成するうえで必要となるさまざまな取り組みや技術開発を進めている。

 これからも、豊かな価値を創造し、世界の人々の生活・文化に貢献するため、デジタル化を通じて、カーボンニュートラルや、誰もが享受できるインフラの構築、つながるデータ社会の構築を目指していく。

写真:佐藤氏と萩原氏
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